ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ (СЭС)

Преобразование солнечной энергии в другие формы энергии имеет длин­ную историю. Со времени древних применений и до современных удивитель­ных устройств можно отметить, в первую очередь, нагревание различных сред (обычно вода или масло). Известна также идея сконцентрировать солнечное из­лучение в центре параболического зеркала, как показано на рис. 6.1. В странах с обилием солнечного света такой способ концентрации солнечного излучения используется для приготовления пищи. В 1883 г. французы A. Mouchot и A. Pifr продемонстрировали новое устройство на Международной выставке в Париже. Их устройство, как это показано на рис. 6.1 ,а, производило пар, обеспечивав­ший работу парового двигателя для последующей работы печатного станка для выпуска газет.

конденсатор!

У^паровая турбина

7 .

генератор 12 МВт

Рис. 6.2. Схема солнечной станции башенного типа

Принцип концентрирования солнечного излучения применяется также на некоторых экспериментальных электростанциях. Сконцентрированное солнеч­ное излучение используется для выработки пара, который приводит в действие паровую турбину, которая, в свою очередь, приводит в действие электрический генератор, присоединенный к ротору турбины. Паровые генераторы обычно ра­ботают по принципам, показанным па рис. 6.1, а.

На рис. 6.1,6 изображен параболоцилиндрический концентратор, а на рис. 6.1, в — башня с полем гелиостатов. Основные принципы работы такой электростанции похожи на принципы работы классической электростанции, за исключением первичного источника энергии. На этом принципе работает не­сколько электростанций с максимальной мощностью Ршкс= 354 МВт, главным образом в Калифорнии и Нью-Мексико (США), где в среднем 320 солнечных дней в году. Некоторые такие электростанции существуют также в Европе. Их типичная конструкция представлена на рис. 6.2. Пар может быть нагрет до 560 С, и КПД электростанции может достигать 17 % при соответствующих усовершенствованиях и оптимизации технологии.

Некоторые тепловые солнечные электростанции используют природный газ или аккумулятор тепловой энергии, чтобы обеспечить бесперебойное функ­ционирование парового генератора в течение периода после захода Солнца. Не­смотря на многообещающее начало, этот тип электростанций находится пока в экспериментальной стадии и широко не используется. Действительно, даже с со­временным компьютерным контролем, регулирование всех зеркал (гелиостатов)

с точностью А(р<0.1° является серьезной технической и финансовой проблемой. Черкала должны периодически и довольно часто очищаться. Зеркала площадью 40 м2 часто не в состоянии противостоять порывам ветра. На рис. 18.5 и 18.6 по­казана электростанция «Sun One» максимальной мощностью Рмакс = Ю МВт. Эта станция, находящаяся в эксплуатации с 1985 г., была первой эксплуатационной электростанцией башенного типа [13] с высотой башни 70 м. На рис. 18.7 пока­заны детали электростанции с параболическими концентраторами (лотками) SEGS-I1I (в Калифорнии, США) с максимальной мощностью Рмакс = 354 МВт. Здесь масло - горячая среда, тепловая энергия которой используется в паровом генераторе для производства пара и привода турбины. W - энергия, произве­денная в течение времени t, описывается формулой

W = jpdt,

Д t

і де Р— мгновенная мощность электростанции.

В настоящее время прямое преобразование солнечной энергии в полупро­водниковых фотоэлектрических панелях является самым распространенным и, возможно, самым перспективным принципом преобразования солнечного излу­чения в электроэнергию. Ежегодное производство и установка фотоэлектриче­ских панелей увеличивается чрезвычайно быстро. Фотоэлектрические солнеч­ные электростанции устанавливаются во всем мире. Их масштабы могут коле­баться от маленьких систем с мощностью порядка киловатта (или еще меньше) до электростанций с максимальной мощностью в сотни мегаватт.

Постоянный ток, вырабатываемый такими электростанциями, может ис­пользоваться для электронагревательных приборов, для зарядки аккумуляторов или для того, чтобы производить водород электролизом воды с последующим его накоплением и хранением.

Используя инверторы, постоянный ток можно преобразовать в перемен­ный, который обычно используется в традиционных электрических сетях.

Физический принцип фотоэлектрического преобразования солнечной энергии будет рассмотрен в главе 7.

Фотоэлектрические системы любого размера и любой мощности могут использоваться как в автономном режиме, вне сети (off-grid), так и с сетью (on - grid). Системы off-grid не связаны с электрическими сетями. Они обеспечивают электроэнергией только небольшие отдельно стоящие объекты, иногда даже единичные образцы оборудования. Поэтому потребление энергии такого объек - ги ограничено количеством электроэнергии, произведенной фотоэлектрической системой. В проектировании таких систем должна быть учтена средняя про­должительность светового периода на территории, где система установлена. І Іеобходимо также рассматривать общее потребление всеми приборами, кото­рые должны быть обеспечены электроэнергией от данной фотоэлектрической системы.

Рис. 6.3. Схема фотоэлектрической системы,
не связанной с сетью (off-grid)

Напротив, on-grid система связана с сетью. Тогда в случае, если система производит избыточное количество электроэнергии, ее можно поставлять в сеть. В случае дефицита электроэнергию можно получать из сети. Надежные инверторы обеспечивают надежную фазовую совместимость с сетью. Сниже­ние напряжения в сети вынуждает инверторы отключаться автоматически из соображений безопасности. Мгновенная выходная мощность (в ваттах) и пол­ная произведенная энергия (в джоулях или кВт ч) контролируется. Принципи­альная схема автономной фотоэлектрической системы вне сети дана на рис. 6.3 [2, 14], а устройство системы, связанной с сетью, на рис. 6.4.

На рис. 6.5 приведена типичная зависимость эффективности инвертора высшего качества на номинальной выходной мощности. Рисунок показывает, что эффективность инвертора быстро возрастает с увеличением потребления энергии, превышая 90 % при 15 % от максимального потребления энергии. При потреблении энергии свыше 40% достигается максимальная эффективность,

но КПД слегка уменьшается, когда мы приближаемся к максимальному по­треблению энергии. У кривых эффективности всех типов инверторов от всех известных производителей наблюдаются схожие характеристики. От неболь­ших систем с максимальной производительностью порядка десятков ватт, ис­пользуемых, например, для изолированных сельских домиков или научных экспедиций в отдаленные области, к крупным установкам с максимальной мощностью в несколько киловатт или мегаватт для более крупных энергетиче­ских центров, кривые эффективности схожи. Рис. 18.70 демонстрирует инвер­торы компании Mastervolt, представленные на выставке в Валенсии в 2008 г. На рис. 18.71 показаны инверторы компании Fronius, представленные в Гамбурге в 2009 г. На рис. 18.72 показан детальный вид электронного инвертора SolarMax, который демонстрировался в Дрездене в 2006 г. На рис. 18.81 представлено портативное устройство для установки анкерных болтов и крепежных болтов портативных фотоэлектрических систем, показанное в Валенсии в 2008 г.

Наряду с фотоэлектрическим преобразованием энергии существует и другая возможность для производства электроэнергии, основанная на термо­электрическом эффекте [10].

Температурный градиент в материале приводит к образованию носителей тока в областях с более высокой температурой, имеющих более высокие значе­ния энергии. В частности, для полупроводниковых материалов температурный градиент вызывает также рост концентрации носителей заряда. Вследствие это­го возникает поток свободных носителей, которые пытаются скомпенсировать температурный градиент, устанавливая новое равновесие. Эффект Зеебека (Seeback) наблюдается в неоднородных проводниках при наличии температур­ного градиента, как показано на рис. 6.6. В схеме, составленной из различных материалов (в нашем примере медь — константан), с контактами, находящимися при различных температурах, на зажимах возникает разность потенциалов, пропорциональная разности температур U ~ АТ или U ~ Т, - Т2. Существует

і шоке обратный эффект, так называемый «эффект Пельтье» (Peltier). Он прояв - пмется в том случае, когда электрический ток, проходящий через электриче - I кую цепь, вызывает образование температурного градиента в цепи.

Рассматривая устройство, представленное на рис. 6.6, предположим, что мы соединяем несколько термопар последовательно, как батарею. Если горячие концы нагреты концентрированным солнечным излучением, то батарея может поставлять электрический ток в сеть, соединенную с зажимами. Отметим, од­нако, что такая термоэлектрическая система преобразования солнечной энергии и земных условиях пока не используется. Важность такой технологии возраста­ет в случае применения на спутниках с ядерным источником тепла, на больших расстояниях от Солнца, где фотоэлектрические системы не могут быть исполь - юваны.

Термоэлектрическое преобразование солнечной энергии в наземных ус - повиях сегодня не представляется эффективным и пригодным для широкомас­штабного внедрения. Однако никогда нельзя категорически отвергать те или иные идеи. Поэтому нельзя исключать такую возможность, когда термоэлект­рические станции найдут более широкое применение.

В [74] показано, что фотоэлектрические солнечные электростанции (СЭС) привлекательны для инвесторов, так как они могут создаваться по модульному принципу и поэтому не требуют больших начальных капитальных вложений, а при пуске станции в эксплуатацию мощности могут вводиться поблочно и та­ким образом, немедленно после монтажа уже первого блока начинают выраба - н. шать и поставлять электроэнергию, т. е. возвращать инвестиции. Поэтому воз­врат инвестиций можно ожидать уже после пуска первой очереди станции, а за- Iсм планировать увеличение темпов возврата капитальных затрат в течение всего периода строительства СЭС.

К преимуществам солнечных станций можно отнести также низкие экс - ннуатационные расходы. Кроме того, они могут функционировать в необслужи­ваемом режиме, создаваться в самых разных местах, недоступных для реализа­ции проектов, основанных на других принципах выработки электроэнергии. Это и пустынные или малообитаемые территории, горная местность, крыши и фаса­ды зданий, просто заброшенные, не используемые пустыри и т. д.

Использование концентраторов позволяет повысить эффективность фото - шектрического преобразования солнечного излучения, а также существенно понизить потребление кремния, весьма дефицитного материала, а также доста­точно дорогостоящего. Однако применение таких станций связано с необходи­мостью разрешения ряда проблем.

При использовании в СЭС концентраторов необходимо наличие прямой солнечной радиации. Нужно обеспечить в процессе эксплуатации слежение за движением Солнца в течение светового дня. В условиях, близких к условиям средней полосы России, равно как и в условиях Чешской Республики, в случае применения концентраторов может быть полезно использовано не более поло­вины суммарной солнечной радиации. При использовании фотоэлементов с од­ним и тем же коэффициентом полезного действия в системах с концентратора-

ГмаГб^Т* ЭЛеКТр0ЭНеРгии может оказаться существенно меньше, чем в сис - онцентраторов. Поэтому в реализованных на практике СЭС в на стоящее время преобладают системы без концентоатоппк R т L следует отрицать полностью возможность использования СЭС с ГнцТнгоаГ ™ электростанции будут достаточно эффе™^^ нах, где прямая солнечная радиация преобладает.

являютсяЖНЫМИ ФаКТОраМИ расширения использования новых мощностей СЭС

повышение КПД солнечных элементов (тенденции роста КПД фото­элементов приведены на рис. 18. 127); ^ ^

• снижение затрат на используемые Материалы, в первую очередь на кремнии, а также на опорные конструкции, зеркальны* отражав щ си­стемы охлаждения и др. Для планарных солнечных элементов на осно - напныМ»НИЯ МОЖН° ПРИМ6НЯТЬ к°нЦентраторы (в том числе и стацио - ронними СЭ ШИМ К°ЭффиЦИеНТ0М концентрации 2,5 - 4 с двухсто-

Концентраторы в пределах апертурного угла не требуют строгого слеже ния за Солнцем, они могут фокусировать как прямую, так и рассеянную сїл вечную радиацию. Для этих целей можно использовать концентраторы самых р зных конструкции (u-образные и w-образные зеркальные отражатели фоко ны, фоклины и некоторые типы призменных концентраторов (ХМ ’ Ф

тпапия (Ьп* °СН0ВЄ гетеРостРУктУР, где требуется концеп­

тов в себе Х И ГЖе Х,00°- В ЭТИХ СЛуЧаЯХ вклад стоимости фотоэлемен - в себестоимость 1 киловатта установленной мощности может быть снижен

ДО уровня планарных элементов на основе кремния. В то же время эффектив

ТГ™:СТеМ М0ЖеТ бЫТЬ достаточно вь, с°кой. даже при условии, что они требуют применения концентраторов точного слежения по двум осям Некого

и каск^ымиЫэлееНИЯ Эффе™°СТИ работы модулей с микроконцентраторами и каскадными элементами будут рассмотрены ниже.

В предисловии было отмечено, что ежегодное производство и установка ф«„,ле„р„,,ских панелей а полненных элыаростаннплх еДетленно Гр"“

не™7панТей Гя° Г°Ла' В Т° “ Ч*" Г”™ "Р°ш. одств. еол-

чных панелей для электростанций разного типа различаются Опережаюши

~.И В МИРЄ РаЗВИВаеТСЯ "Р0ИЗВ0ДСТВ0 панелей для СЭС, присоединен-

На рис. 6.7 приводятся сведения о росте мощностей выпускаемых сол ных панелей (кривая 1), в том числе используемых в автономных (кривая 3) и сетевых (кривая 2) СЭС до 2008 г. Следует отметить, что указанная тенден

"оРлГч^^°ДНаК° ДЛЯ/°ССИИ ХаРаКТЄРНа ДРУГаЯ - туапия зГесь мощ­ность солнечных станции, работающих в автономном режиме, возрастает более

г„~у=.чем мощность ~ сэс’— - в - ии Ш:Р:

Концентрированное солнечное излучение (см. рис. 6.1,а) также использу­ется в солнечных энергетических системах на основе двигателя Стирлинга [54]. І Іринцип двигателя был описан его изобретателем Робертом Стирлингом еще и 1816 г. Идея не была востребована много лет, но ее время настало в конце XX столетия. В улучшенной форме это изобретение нашло свою нишу среди новых методов производства энергии. У двигателя Стирлинга есть определен­ные преимущества, особенно относительно высокая производительность и низ­кий шум. Он может использовать любой источник высокой температуры. Его низкая шумовая характеристика сделала этот двигатель привлекательным в ка­честве двигателя для подводных лодок.

В упомянутых выше солнечных энергетических системах концентриро­ванное солнечное излучение попадает на теплообменник, который служит на­гревателем. В двигателе Стирлинга энергия высокой температуры преобразует­ся в механическую энергию. Двигатель вращает электрогенератор, в котором механическая энергия преобразуется в электричество. Общая эффективность такой системы может превышать 30 %.

В дополнение к требованию точного слежения за положением Солнца не­удобством этих систем является и то, что концентраторы с параболическим зер­калом концентрируют только прямое солнечное излучение и не концентрируют диффузную радиацию. Поэтому такие системы являются удобными для местно­сти, где преобладают солнечные дни с высоким уровнем прямой радиации. На рис. 18.8 показаны две такие системы, установленные в Аризоне (США).

Солнечная система мощностью 10 кВт с двигателем Стирлинга и генера­тором электроэнергии, установленная во Франции, представлена на рис. 18.9. Ее технические параметры даны в таблице 6.1.

Большая солнечная электростанция, работающая на этом принципе, в на­стоящее время находится в стадии строительства в Южной Калифорнии. Она имеет максимальную проектную мощность 500 МВт с возможностью увели­чить мощность до 850 МВт (если электростанция окажется эффективной). Электростанция состоит из блоков с максимальной мощностью 25 кВт, с пара­болическими зеркалами диаметром больше 10 м.

В таблице 6.2 представлены характеристики фотоэлектрических станций, введенных в эксплуатацию в Чешской республике в течение 2006-2009 гг., а в таблице 6.3 приводятся примеры некоторых крупных фотоэлектрических стан­ций, действующих в мире в настоящее время.

К концу 2012 г. в Чешской республике вырабатывалось приблизительно 1,8 ГВт общей мощности фотоэлектрических электростанций. В начале 2008 г. эта мощность составляла только 3,4 МВт, а в конце 2007 г. всего 1,5 МВт. Рез­кое увеличение мощности введенных в эксплуатацию СЭС в Чешской респуб­лике очевидно. 1

Рисунок 6.8 иллюстрирует ежегодное производство электроэнергии в первом блоке фотоэлектрической станции в Ostrozska Lhota (Южная Моравия) [57]. Там была установлена пиковая мощность 702 кВт. Ежегодное производст­во электроэнергии, в пересчете на 1 кВт установленных фотоэлектрических па­нелей, составляет 1012,8 кВт час/кВт год.

На рис. 6.9 показаны некоторые результаты измерений, выполненных на ма­ленькой фотоэлектрической системе с неподвижной платформой (стендом) и с тре­мя стандартными фотоэлектрическими панелями общей номинальной выходной мощностью 0,51 кВт. Эта фотоэлектрическая система была изготовлена и установ­лена в Чешском Университете сельского хозяйства в Праге (Прага 6 - Suchdol, 50° северной широты). Эта система представлена на рис. 18.98, где она расположена на переднем плане (система со следящей платформой видна на заднем плане).

ни {кВт. час/год произведено всего 46S. S1 кВт. час/год

I расчнталная энергня (кВт. час/год г 1 всего ио расчету 919,24 кВт. час. кВт. год

Рис 6^гР*егодн0е производство электроэнергии фотоэлектрической системой установленной в Чешском Университете сельского хозяйства в Праге ' (Прага 6 - Suchdol 50° северной широты) в 2008 г.

Три солнечные панели (китайского производства) были соединены по­следовательно и подключены к инвертору фирмы Sunny Boy типа SB 700 (Гер­мания). Их номинальная выходная мощность - 170 Вт а номинальная эффек­тивность фотоэлектрического преобразования составляет 16 %. Наклон - 40° ориентация на юг. Система была непосредственно связана с сетью 230 V пе­ременного тока через вышеупомянутый инвертор. Сведения о выработке си­стемы через регистрирующее устройство заносились на карту памяти Электри­ческая связь осуществлялась с применением кабелей и водостойких контактов фирмы Tyco.

В течение 2008 г. ежегодное производство электроэнергии, пересчитан­ное на I кВт мощности установленных панелей, составило в этом случае 919.24 кВт час/кВт-год. Как и ожидалось, пересчитанный объем произведенной энер­гии в Праге ниже, чем объем произведенной энергии в Южной Моравии Если бы примыкающее здание не затеняло панели в течение короткого периода до заката, различие могло быть меньшим. Кроме того, фотоэлектрические панели были установлены с наклоном 40°, в то время как оптимальный наклон для

з“ГзГ, ЄЖЄГОДНОГО пР°изводства Сергии в Праге - составляет прибли­зительно 35 . Этот наклон соответствует летнему положению функционирова­ния системы, поскольку во время летнего периода объем произведенной энер­гии является самым высоким. н

Например на рис. 6.10 показаны зависимости мгновенной мощности во времени в течение двух выбранных весенних солнечный дней. Существует спе­циальное летнее время в Чешской республике, когда полдень соответствует. 0 часам. В этом случае объем произведенной электроэнергии W описывается 74

интегралом W = ^Pdt, где Р - мгновенная мощность; t - время. Энергия W со­

д,

ответствует области ниже кривой. В мае максимальный угол падения ближе к перпендикуляру, чем в июне, потому что панели имели наклон 40°. Это об - I і оятельство является причиной того, что максимальная мощность выше в мае. Но I0 мая 2008 г. день был только наполовину солнечным. Это заметно на рис. 6.10. Поэтому дневное производство электроэнергии - почти одно и то же (2.85^2.86 кВт ч). Максимальная мощность ниже, чем номинальная выходная мощность, потому что параметры фотоэлектрических панелей были измерены мри температуре 25°С, но реально температура панелей выше в течение сол­нечного дня. Согласно теории, чем выше температура солнечного элемента, тем ниже его коэффициент фотоэлектрического преобразования солнечной энергии.

Японская электротехническая компания Kyocera объявила о строительст­ве электростанции мощностью 70 МВт на юге страны в Кагосиме. Это будет самая крупная фотоэлектрическая станция в стране. Этот проект, в котором бу­дут участвовать корпорации IHI и Mizuho Corporate Bank Ltd., направлен на решение проблемы дефицита электроэнергии в стране, вызванного катастрофой на АЭС Фукусима. Ежегодно производимая энергия может покрыть потребле­ние электроэнергии 22000 домов. Его объем составит 40% от всего объема электроэнергии, производимой в стране. Предполагаемая стоимость проекта составляет 310 млн. долл. США. Внешний вид электростанции представлен на рис. 18.129.

Для сравнения отметим, что в России ситуация выглядит скромнее. Здесь в Белгородской области впервые в России введена в эксплуатацию солнечная электростанция мощностью 100 кВт. Также впервые решен вопрос о том, что энергия, вырабатываемая этой электростанцией, будет поставляться в сеть по

ТЗРИфУ " ! РУб - За 1 кВт'4 (таРи,1)ь| указаны на период строитель­ства). Электроэнергия с ближайшей Курской АЭС обошлась бы в 2,3 -4 руб за

I кВт ч. Тем не менее, построить солнечную электростанцию и покупать элект­роэнергии по высокому тарифу оказалось дешевле, чем строить новьюТни„ нЖЗ: раСПр! ДеЛИТельные подстанции для подачи электроэнергию

пивеїкие Лвопы ЯЩЄИ ЭЛеКТрОСТаНЦИИ- Эга СЭС построена на хуторе Кра-

из дв^Т” СИСТеМа’ вырабатывающая электроэнергию, wuu из двух частей. Первая скомпонована с использованием батарей собранных из фотоэлементов на основе полиметаллического кремния, вторая - из панелей а основе аморфного кремния. Каждая из этих частей имеет мощность 50 кВт асчетаая производительность данной станции - 133,4 тыс. кВт-ч в год

(ВенгриТГняп ПЗНеЛИ Н3 °СН0Ве амоРФного кремния закупались в Европе ( енгрия), а на основе поликристаллического кремния изготовлены на Рязан­ском заводе металлокерамических приборов (РЗМП), предприятии солнеч­ные модули которого сертифицированы для продажи в страны ЕС Конечная цена панели, произведенной „а заводе, составляла порядка $3 за 1 Вт Для

с™,“Т«зТ гстк 1 Вт г""т"ой ■ - д^нов

S 5, в угольной - более $3, в газовой - порядка $2 Стоимость ка питальных вложений при строительстве тепловой электростанции^ (сегодня о вырабатываемой в России электроэнергии) €1,5 - 2,5/Вт а капитальные замТрать^а строительство солнечной электростанции при MeVaB”X

Солнечная электростанция практически не требует обслуживания и не расходует топливо, а также не останавливается на ремонт и профилактику обо­рудования. Ставить тепловую станцию можно не везде, а солнечную - почти повсеместно, конечно, при наличии потенциала солнечной энергии. По гаран­ти производителя у поликристаллических солнечных модулей выработка со­храняется на уровне не менее 80% в течение 25 лет, у аморфных панелей в те­чение 20 лет. Станция введена в эксплуатацию 18 октября 2010 г. Вырабаты­ваемая электроэнергия поступает в сеть «Белгородэнерго» и далее по сети рас­пределяется конечным потребителям. Ожидаемый срок окупаемости проекта — чуть более 5 лет — при тарифе 9 руб. / кВт ч, хотя стоимость электроэнергии с ближайшей Курской АЭС - 2,3 - 4 руб. за 1 кВт-ч. Однако в Белгородской об­ласти две существующие теплоэлектростанции покрывают примерно 10% спроса. Остальной спрос потребности области покрывается Курской и Новово­ронежской АЭС. С учетом роста энергопотребления оказалось, что построить солнечную электростанцию и покупать электроэнергию по 9 руб. за 1 кВт ч вы­годнее, чем строить новые линии электропередачи и распределительные под­станции.